CN111398122A - 一种页岩全尺度孔隙结构非均质性特征的综合表征方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开发明了一种页岩全尺度孔隙结构非均质性特征的综合表征方法。属于非常规油气勘探开发技术领域，利用Menger分形理论计算页岩大孔孔隙的分形维数，利用FHH分形模型计算页岩介孔孔隙的分形维数，利用微孔介质分形理论计算页岩微孔孔隙的分形维数；微孔是影响页岩孔隙结构非均质性的主要因素，且孔隙比表面积随微孔增多而增大，所以用不同孔径段的孔隙比表面积与全孔径段总比表面积之比作为加权值，计算页岩孔隙结构的综合分形维数，提出一种海相、海陆过渡相和陆相页岩非均质性强弱划分标准，从定量和定性两方面综合表征页岩孔隙结构的复杂程度和非均质性，为页岩储层精细表征提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及非常规油气勘探开发技术领域，特别是页岩全尺度孔隙结构非均质性特征的综合表征方法。
背景技术
页岩储层发育大量由纳米级至微米级不同尺度的孔隙，尤以纳米级孔隙为主，结构复杂，非均质性强。作为页岩气储集的重要场所，孔隙结构对页岩气赋存、渗流、扩散和富集有着重要作用。复杂的页岩孔隙结构具有良好的分形特征，所以运用分形理论来定量描述页岩孔隙结构的复杂程度和非均质性。分形维数D可以用来表征固体表面粗糙程度和结构不规则性。分形维数在2～3之间变化，一般将绝对光滑表面的分形维数值定为2，将极度粗糙表面的分形维数值定为3，在2～3区间范围内，分形维数值越大，代表孔隙表面与孔隙结构越复杂，非均质性越强。
汞侵入法和气体吸附法是测量页岩孔隙结构的重要手段，但是汞侵入法在进汞过程中页岩样品会因高压而形成人为裂缝，影响测定结果的准确性，不同的气体吸附法适用的孔隙范围不同，因此基于不同实验方法的分形理论难以综合全面的定量表征页岩孔隙结构的复杂性与非均质性。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明提出一种页岩全尺度孔隙结构非均质性特征的综合表征方法，综合利用不同分形模型的适用性，考虑了各孔径段对页岩孔隙非均质性的贡献不同，提供一种页岩全尺度孔隙结构非均质性特征的综合表征方法，并提出一种海相、海陆过渡相以及陆相页岩非均质性强弱划分标准。本发明能够综合表征页岩孔隙结构复杂程度和非均质性，为页岩储层精细表征提供依据。
本发明采用的技术方案：
一种页岩全尺度孔隙结构非均质性特征的综合表征方法，包括以下步骤：
S1：对页岩样品分别进行高压压汞实验、低温氮气吸附实验和低温二氧化碳吸附实验；
S2：选取高压压汞实验中孔径大于50nm的实验数据，利用Menger海绵模型计算大孔孔径段孔隙的分形维数；
S3：选取低温氮气吸附实验中孔径介于2-50nm的实验数据，利用FHH分形模型计算介孔孔径段孔隙的分形维数；
S4：选取低温二氧化碳吸附实验中孔径小于2nm的实验数据，利用微孔介质分形理论计算微孔孔径段孔隙的分形维数；
S5：将不同孔径段的孔隙比表面积与全孔径段总比表面积之比作为加权值，对不同孔径段的分形维数进行加权计算，求得页岩样品孔隙结构的综合分形维数；
S6：根据综合分形维数判断页岩样品孔隙结构的非均质性；
S7：对海相、海陆过渡相和陆相页岩非均质性进行强弱划分。
优选的，所述的步骤S2中，Menger海绵模型计算公式为：
D＝4+Ln(dVp/dp)/Lnp 式1
D为页岩孔隙分形维数；
V为压汞实验测得的页岩孔隙体积，单位——cm3/g；
p为压汞实验中施加的压力，单位——MPa。
优选的，所述的步骤S3中，FHH分形模型计算公式为：
K＝D-3 式3
K＝(D-3)/3 式4
P为平衡压力，单位——MPa；
P0为为饱和蒸汽压力，单位——MPa；
V为平衡压力P所对应的吸附体积，单位——cm3；
K为常数，指代线性关系系数，其值与吸附机理相关；
C为常数。
优选的，所述的步骤S4中，微孔分形模型计算公式为：
LnJ(x)＝(2-D)Lnx+C 式5
x＝15z+2852.5z3+0.014z-1-0.75 式10
x为孔半径，单位——nm；
Γ为伽马函数；
ρ为伽玛分布的尺度参数，单位——kJ/mol；
v为形状参数，无主次；
θ为相对吸附量；
V0为最大吸附量，单位——cm3/g；
V为平衡吸附量，单位——cm3/g；
β为亲和系数，CO2常取0.38；
A为吸附势，单位——kJ/mol；
R为摩尔气体常数；
T为绝对温度K；
p为平衡压力，单位——MPa；
p0为饱和蒸汽压，单位——MPa；
E0为标准吸附质的特征吸附能，单位——kJ/mol；
z特征能E0的倒数，单位——mol/kJ。
优选的，所述的步骤S5中综合分形维数的计算公式为：
D＝∑DiTi 式11
D为综合分形维数；
Di为第i个孔径段对应的分形维数；
Ti为第i个孔径段对应的孔隙比表面积与全孔径段总比表面积之比；
i为第i个孔径段。
优选的，所述的步骤S6中，根据综合分形维数判断页岩样品孔隙结构的非均质性的方法是：采用量化表示的方法，分形维数在2-3之间变化，将绝对光滑表面的分形维数值定为2，极度粗糙表面的分形维数值定为3，分形维数值越大代表孔隙表面越复杂，非均质性越强。
本发明的有益效果：高压压汞实验、低温氮气吸附实验及低温二氧化碳吸附吸附实验、可以全面分析页岩孔隙结构特征，可以获得大孔、介孔以及微孔的完整数据，利用Menger分形模型、FHH分形模型以及微孔分形模型分析各段实验数据可以获得页岩孔隙结构全孔径段的综合分形维数，因为微孔对页岩孔隙结构非均质性有主要贡献，且孔隙比表面积随微孔的增多而增大，以不同孔径段的孔隙比表面积与全孔径段总比表面积之比作为权值计算综合分形维数，综合定量表征页岩孔隙结构的复杂程度和非均质性，并提出一种海相、海陆过渡相和陆相页岩非均质性强弱划分标准，与其它相关技术相比较，能够更全面考虑不同孔径段尤其是微孔对页岩孔隙结构非均质性的影响。
具体实施方式
为了进一步说明本发明技术方案的细节及其优点，现结合实施例进行说明。
实施例1
一种页岩全尺度孔隙结构非均质性特征的综合表征方法。其特征在于：利用利用Menger分形理论计算页岩孔隙大孔的分形维数，利用FHH分形模型计算页岩孔隙介孔的分形维数，微孔介质分形理论计算页岩孔隙微孔的分形维数，因为微孔是影响页岩孔隙结构非均质性的主要因素，且孔隙比表面积随微孔增多而增大，以不同孔径段的孔隙比表面积与全孔径段总比表面积之比作为加权值，计算页岩孔隙结构的综合分形维数，并提出一种海相、海陆过渡相和陆相页岩非均质性强弱划分标准，从定量和定性两方面综合表征页岩孔隙结构复杂程度和非均质性。
所述方法具体包括以下步骤:
S1：对页岩样品分别进行高压压汞实验、低温氮气吸附实验、以及低温二氧化碳吸附实验，压汞-液氮-二氧化碳联合表征页岩孔隙结构的大孔、介孔以及微孔的孔隙比表面积比；
S2：选取高压压汞实验中孔径大于50nm的实验数据，利用Menger海绵模型的构造思想，计算大孔孔径段孔隙的分形维数：
D＝4+Ln(dVp/dp)/Lnp 式1
D为页岩孔隙分形维数；
V为高压压汞实验测得的页岩孔隙体积，单位——cm3/g；
p为高压压汞实验中施加的压力，单位——MPa。
对页岩样品高压压汞实验中孔径大于50nm的实验数据进行统计处理，并计算出直线部分的斜率Ln(dVp/dp)与Lnp，通过作图得出斜率k，便可求得页岩大孔孔径段分形维数D。
S3：选取低温氮气吸附实验中孔径介于2-50nm的实验数据，利用FHH分形模型计算介孔孔径段孔隙的分形维数：
K＝D-3 式3
K＝(D-3)/3 式4
P为平衡压力，单位——MPa；
P0为为饱和蒸汽压力，单位——MPa；
V为平衡压力P所对应的吸附体积，单位——cm3；
K为常数，指代线性关系系数，其值与吸附机理相关；
C为常数。
对页岩样品低温氮气吸附实验中孔径介于2-50nm的实验数据进行统计处理，利用式中Ln(V)—Ln(Ln(P0/P))线性关系求取斜率K，便可得到页岩介孔孔径段分形维数D。分形维数D的计算方法有两种：在等温线的较低端，是多层吸附建立的早期阶段，吸附机理为毛细管凝结作用，选择式3；在较高覆盖度时，吸附机理为范德华作用而忽视毛细管作用时，选择式4。
S4：选取低温二氧化碳吸附实验中孔径小于2nm的实验数据，利用微孔介质分形理论计算微孔孔径段孔隙的分形维数：
LnJ(x)＝(2-D)Lnx+C 式5
x＝15z+2852.5z3+0.014z-1-0.75 式10
x为孔半径，单位——nm；
Γ为伽马函数；
ρ为伽玛分布的尺度参数，单位——kJ/mol；
v为形状参数，无主次；
θ为相对吸附量；
V0为最大吸附量，单位——cm3/g；
V为平衡吸附量，单位——cm3/g；
β为亲和系数，CO2的值取0.38；
A为吸附势，单位——kJ/mol；
R为摩尔气体常数；
T为绝对温度K；
p为平衡压力，单位——MPa；
p0为饱和蒸汽压，单位——MPa；
E0为标准吸附质的特征吸附能，单位——kJ/mol；
z特征能E0的倒数，单位——mol/kJ。
利用微孔分形模型，结合低温二氧化碳吸附数据，利用式9拟合最大吸附量、相对吸附量，通过微孔全吸附方程式7拟合得到ρ和v，利用式10孔径分布计算z，进而通过式6计算J(x)，最后利用LnJ(x)——Lnx线性关系求取斜率K，得到页岩微孔孔径段的分形维数。
S5：将不同孔径段的孔隙比表面积与全孔径段总比表面积之比作为权值，对不同孔径段的分形维数进行加权计算，求得页岩样品孔隙结构的综合分形维数，其计算公式为：
D＝∑DiTi 式11
D为综合分形维数；
Di为第i个孔径段对应的分形维数；
Ti为第i个孔径段对应的孔隙比表面积与全孔径段总比表面积之比；
i为第i个孔径段。
页岩孔隙微孔、介孔和大孔的分类参考IUPCA方案，微孔
介孔
和大孔
为孔隙直径。
S6：根据综合分形维数判断孔隙结构的非均质性；
分形维数在2～3之间变化，一般将绝对光滑表面的分形维数值定为2，将极度粗糙表面的分形维数值定为3，在2～3区间范围内，分形维数值越大，代表孔隙表面越复杂，孔隙结构越复杂，非均质性越强。
S7：对海相、海陆过渡相和陆相页岩的非均质性强弱进行划分，划分标准为：
Claims (6)
1.一种页岩全尺度孔隙结构非均质性特征的综合表征方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对页岩样品分别进行高压压汞实验、低温氮气吸附实验和低温二氧化碳吸附实验；
S2：选取高压压汞实验中孔径大于50nm的实验数据，利用Menger海绵模型计算大孔孔径段孔隙的分形维数；
S3：选取低温氮气吸附实验中孔径介于2-50nm的实验数据，利用FHH分形模型计算介孔孔径段孔隙的分形维数；
S4：选取低温二氧化碳吸附实验中孔径小于2nm的实验数据，利用微孔介质分形理论计算微孔孔径段孔隙的分形维数；
S5：将不同孔径段的孔隙比表面积与全孔径段总比表面积之比作为加权值，对不同孔径段的分形维数进行加权计算，求得页岩样品孔隙结构的综合分形维数；
S6：根据综合分形维数判断页岩样品孔隙结构的非均质性；
S7：对海相、海陆过渡相和陆相页岩非均质性进行强弱划分。
2.根据权利要求1所述的页岩全尺度孔隙结构非均质性特征的综合表征方法，其特征在于：所述的步骤S2中，Menger海绵模型计算公式为：
D＝4+Ln(dVp/dp)/Lnp 式1
D为页岩孔隙分形维数；
V为压汞实验测得的页岩孔隙体积，单位——cm3/g；
p为压汞实验中施加的压力，单位——MPa。
3.根据权利要求1所述的页岩全尺度孔隙结构非均质性特征的综合表征方法，其特征在于：所述的步骤S3中，FHH分形模型计算公式为：
K＝D-3 式3
K＝(D-3)/3 式4
P为平衡压力，单位——MPa；
P0为为饱和蒸汽压力，单位——MPa；
V为平衡压力P所对应的吸附体积，单位——cm3；
K为常数，指代线性关系系数，其值与吸附机理相关；
C为常数。
4.根据权利要求1所述的页岩全尺度孔隙结构非均质性特征的综合表征方法，其特征在于：所述的步骤S4中，微孔分形模型计算公式为：
LnJ(x)＝(2-D)Lnx+C 式5
x＝15z+2852.5z3+0.014z-1-0.75 式10
x为孔半径，单位——nm；
Γ为伽马函数；
ρ为伽玛分布的尺度参数，单位——kJ/mol；
v为形状参数，无主次；
θ为相对吸附量；
V0为最大吸附量，单位——cm3/g；
V为平衡吸附量，单位——cm3/g；
β为亲和系数，CO2常取0.38；
A为吸附势，单位——kJ/mol；
R为摩尔气体常数；
T为绝对温度K；
p为平衡压力，单位——MPa；
p0为饱和蒸汽压，单位——MPa；
E0为标准吸附质的特征吸附能，单位——kJ/mol；
z特征能E0的倒数，单位——mol/kJ。
5.根据权利要求1所述的页岩全尺度孔隙结构非均质性特征的综合表征方法，
其特征在于：所述的步骤S5中综合分形维数的计算公式为：
D＝∑DiTi 式11
D为综合分形维数；
Di为第i个孔径段对应的分形维数；
Ti为第i个孔径段对应的孔隙比表面积与全孔径段总比表面积之比；
i为第i个孔径段。
6.根据权利要求1所述的页岩全尺度孔隙结构非均质性特征的综合表征方法，其特征在于：所述的步骤S6中，根据综合分形维数判断页岩样品孔隙结构的非均质性的方法是：采用量化表示的方法，分形维数在2-3之间变化，将绝对光滑表面的分形维数值定为2，极度粗糙表面的分形维数值定为3，分形维数值越大代表孔隙表面越复杂，非均质性越强。
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